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摘要

传统上，开关模式电源(SMPS)噪声较高，无法直接用于噪声敏感型模数转换器(ADC)，因此需要额外的低压差(LDO)稳压器来供电。近年来，SMPS技术取得了显著进展，特别是Silent Switcher®架构和电磁干扰(EMI)噪声屏蔽技术的应用，有效降低了EMI辐射和输出纹波电压。得益于此，我们可以将采用噪声抑制技术的单一SMPS器件置于噪声敏感型器件附近，而不会影响ADC的信噪比(SNR)。本文将详细探讨这项技术。

引言

您是否遇到过ADC的输出结果出现轻微偏差和随机变化的情况？这可能是由ADC系统内部的噪声引起的。一个常见的噪声源是压控振荡器(VCO)的供电轨。此供电轨上的噪声可能会给时钟信号带来抖动，而时钟信号随后会用作ADC的采样时钟。如果抖动较大，ADC转换就可能出现误差，进而产生异常数据。

众所周知，SMPS在电压转换过程中需要进行开关操作，因此不可避免地会产生噪声。如果将SMPS用于时钟的供电轨，就会将噪声引入ADC系统。为了尽可能减小误差，通常采用具备噪声抑制能力的LDO稳压器为噪声敏感型器件供电

ADI公司的 LTM8080 降压型稳压器SMPS等器件，集成了后调节双LDO 稳压器和噪声抑制技术。类似于独立的 LT3045LDO稳压器，这款SMPS器件能够提供低噪声供电轨。

为什么必须关注供电轨噪声？

供电轨噪声是能够对系统性能产生显著影响的一个关键因素。图1中，LT3045 LDO稳压器用作低噪声供电轨，为 ADF4372频率合成器的VCO供电。然后，ADF4372为 AD9208 ADC和FPGA板生成时钟信号。图2显示了从LT3045 LDO稳压器输出获得的相位噪声图，此图可作为比较备选供电轨方案的基准。

相较于基准设计，如果采用噪声较高的供电轨，噪声频谱图会不太理想，如图3所示，其中边带略有升高。当这些边带达到一定水平时，会给ADC采样时钟的上升沿带来抖动（图4）。结果，ADC会在非预期的时间点对模拟输入信号进行采样，导致生成包含位错误的异常数据字。

位错误的发生可能会造成显著的后果，尤其是当位错误很严重时。ADC的实际数据字与预期数据字的偏差可能会触发系统出现意外行为。例如，如果数据字指示的输入电压高于实际电压，器件可能会在系统尚未准备好的情况下被提前激活。在安全关键应用中，这种意外状态可能会导致安全特性被禁用。

得益于EMI噪声屏蔽技术，SMPS现在可以放置在LDO稳压器附近，而不会将开关噪声耦合到LDO稳压器的输出端。如果将SMPS和LDO稳压器封装在一起，除了降低噪声之外，还能获得其他优势。参见表1。

表1. SMPS + LDO稳压器相较于独立LDO稳压器的优势

设计特性	SMPS + LDO 稳压器	LDO 稳压器
输入电源灵活性	输入范围宽 （3.5 V至40 V） 标准输入电压轨	输入范围窄 独特的输入电压轨
PCB布局简单	噪声敏感型布线 位于器件内部 仅需基本PCB布线技术 器件可以放置在其他噪声敏感型器件附近	需要特别布线以尽可能降低噪声 需要更先进的PCB布线技术
节省PCB空间	从12 V/24 V供电轨到LDO稳压器输出电压的直接电压转换 无需不常见的中间总线电压	可能需要额外的稳压器来将12 V/24 V供电轨转换为特定中间总线电压
设计简单	设计已经过充分测试和优化 用户可以即插即用	需要更多前期设计/测试以尽可能降低噪声
潜在的系统效率提升	寄生损耗更低 优化的LDO稳压器裕量 降压调节器部分可以直接为其他外部LDO稳压器供电

单个封装中集成开关降压转换器和LDO稳压器的优势

将关降压转换器(SMPS)与LDO稳压器集于一体的器件具备多项优势。它可以由12 V或24 V等标准供电轨供电，输入电源非常灵活。此外，可以设计中间总线来维持一个高于LDO稳压器输出的特定电压，这样即使器件由较高电压供电也能稳定工作。这种“电压输入到输出控制”(VIOC)特性通过控制上游SMPS的输出，确保 LDO稳压器具有设定的裕量。要想在提升效率的同时保持电源抑制比(PSRR)，VIOC不可或缺。

SMPS与LDO稳压器的组合，使得对噪声敏感的布线可以在器件内部电路中进行。因此，只需在PCB层面应用基本布线技术，即足以优化器件的噪声性能。

此外，得益于完全集成的EMI噪声屏蔽，片内SMPS的噪声不是向各个方向辐射，而是被引导至远离LDO稳压器的方向。这项技术使得开关稳压器可以放置在LDO稳压器附近，而不会影响LDO稳压器的噪声抑制能力。因此，这款完全集成的器件可以布置在过去因噪声问题而不适合布置SMPS的区域。

如果器件的SMPS部分能够提供比LDO稳压器额定值更大的电流，则可以将多个LDO稳压器集成到封装中。此外，外部LDO稳压器可以连接到中间总线，从而为用户的设计提供更大的灵活性。

为了确保符合器件数据手册中提到的规格，我们对这款完全集成的SMPS加LDO稳压器组合器件进行了全面的测试，以保证器件满足规定的要求。

噪声低如LDO稳压器的开关降压转换器

与基准LDO稳压器方案相比，LTM8080的输入电源电压灵活性更大，而且功率损耗更低。图5展示了采用LTM8080的示例解决方案，体现了设计灵活性。LTM8080与共封装的降压稳压器和LDO稳压器一起，集成了EMI噪声屏蔽，能够有效引导辐射噪声的传播方向。

比较LTM8080和LT3045的噪声抑制能力，两者的测量结果几乎完全一致。表2展示了SNR比较结果，图6显示了相位噪声图。因此，LTM8080可用作LT3045的替代方案，既能有效减少位错误，又能很好地抑制噪声。

表2. SNR比较：LTM8080对比LT3045

ADF4372：5 V PLL 时钟电源	SNR: AD9208
LT3045（基准）	53.6 dBFS
LTM8080	53.6 dBFS

结论

测试结果清楚地表明，具备先进噪声抑制技术（例如EMI噪声屏蔽）的SMPS器件可以有效取代LDO稳压器来为噪声敏感型供电轨供电。尽管概念验证主要针对VCO供电轨，但集成SMPS和LDO稳压器的解决方案所具备的设计灵活性，也能惠及许多其他对噪声敏感的应用。

关于作者

Adam Huff

Adam Huff是ADI公司电源模块部的高级设计工程师。他自2005年加入ADI公司以来，在电源模块部担任过多个职务。他拥有普渡大学电气工程学士学位。

Zhijun (George) Qian

Zhijun (George) Qian是ADI公司uModule设计工程师。他设计了许多LTM46xx/LTM47xx uModule产品，这些产品具有较宽的电流和功率范围。他拥有浙江大学电力电子学士学位和硕士学位以及中佛罗里达大学电力电子博士学位。他于2010年加入凌力尔特（现在已成为ADI的一部分）。